(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材を準備する工程と、
直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、
前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、
前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記ルツボ基材の内面に溶着する工程と
を含み、前記溶着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、該合成石英ガラス材の内部に多結晶シリコンを充填し、該多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により同時に行うことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項２】
前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を水酸基含有量が１００〜８００ｐｐｍのものとして作製することを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項３】
前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項４】
前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法によって製造されたことを特徴とする石英ガラスルツボ。
【請求項６】
請求項５に記載の石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項７】
請求項１に記載の石英ガラスルツボの製造方法によって、前記多結晶シリコンの溶融と同時に前記石英ガラスルツボを製造し、引き続き、前記多結晶シリコンの溶融によって生じたシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の製造には、チョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれる方法が広く採用されている。このチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造では、一般に、石英ガラスルツボ（石英ルツボとも呼ばれる）の内部に多結晶シリコン（ポリシリコン）を充填し、加熱により溶融してシリコン融液とし、シリコン融液に種結晶を浸漬した後引き上げ、シリコン単結晶インゴットを育成する。
【０００３】
従来より、シリコン単結晶の育成中に、高温下で石英ガラスルツボに含まれる気泡が膨張し、ルツボ内周面が剥離してシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献１参照）や、石英ガラスルツボ表面がアモルファスからクリストバライトに変わり、このクリストバライトの剥離によってシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献２参照）が言われている。
【０００４】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造中の石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化（結晶化）については、特許文献３や特許文献４によると、「結晶化の初期段階では結晶生成核を基点として点状に発生し、単結晶引上げの進行にともなって、結晶化はリング状に広がる」、「このような結晶化の進展現象により結晶化斑点が生成される。この結晶化斑点の外周部は茶色を呈しているので、茶褐色斑点と呼ばれることもある。」、「結晶化斑点は、単結晶引上げ時間、すなわち、シリコン融液と石英ルツボの内表面とが直接接触する時間の経過とともに増加するが、所定の時間が経過すると結晶化斑点は一定の密度に収束して推移する」と記載されている。また、「かかる結晶化斑点はいったん生成した後、シリコン融液により溶解し始め、次第に結晶化斑点の大きさが小さくなる」とも記載されている。
【０００５】
この石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化は、ルツボ中のアルカリ金属などの不純物濃度が高いと促進されると言われている。また、デバイス特性への影響を考えても、不純物濃度は低い方が良い。よって、石英ガラスルツボには気泡がないことや不純物濃度が低いことが求められる。
【０００６】
気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラスの製造方法として、直接法やスート法が挙げられる。直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である。また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していく（非特許文献１参照）。
【０００７】
これらの合成石英ガラスを用いて石英ガラスルツボを作ればシリコン単結晶の有転位化を回避できるが、ルツボ自体の耐熱性（耐熱変形性、変形耐性とも言う）が低い（すなわち、高温下で変形しやすい）という問題がある。この耐熱性の問題を解決する方法として、例えば、（１）シラン化合物から合成された合成石英ガラスを粉砕し、真空下で加熱溶融し、ルツボに成形する方法（特許文献５）や、（２）シラン化合物の直接火炎法によって製造された、水素分子含有量が１×１０１７ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である合成石英ガラス部材を粉砕、粒度調整、洗浄の各工程を経て合成石英ガラス粉としたのち、これを真空下にて１５００〜１９００℃で電気溶融し、成型する方法（特許文献６）が挙げられる。
【０００８】
特許文献５の方法では、合成石英ガラスを粉砕し、その際の粒度を６００μｍ以下と規定して、これを１０−１Ｔｏｒｒ、１５００〜１９００℃で真空加圧溶融をすることにより水酸基・塩素の含有量を低下させて耐熱性の良い合成石英ガラスルツボを作ることができる。真空加圧溶融なのでルツボ内に１ｍｍ以上の気泡は無い。これは、通常のアーク溶融法によって製造した石英ガラスルツボの気泡レベル（例えば、ルツボ１つあたり、１〜２ｍｍの気泡３個程度、２ｍｍ以上の気泡なし）よりも良好である。なお、アーク溶融法とは、回転している型内に原料粉を供給しルツボ状の原料粉体層を形成し、その内側からアーク放電加熱し溶融して石英ガラスルツボを製造する方法である（例えば、特許文献７参照）。
【０００９】
また、特許文献６の方法によれば、合成石英ガラス部材を水素分子含有量が１×１０１６ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上で歪点が１１３０℃以上、ＯＨ基含有量、塩素含有量がいずれも１ｐｐｍ以下のものとしたものは、高純度であり、高温における粘度が例えば１４００℃で１０１０ポイズ以上とすることができ、したがってこれをシリコン単結晶引き上げ用ルツボ材とすることができる。
【００１０】
また、特許文献８には、石英原料粉を不活性ガス雰囲気下で溶融し、さらに２０００℃以上、０．０５ｔｏｒｒ以上の真空度に５時間以上保持して精製して得た石英ガラス片を、石英ガラスルツボの内表面に貼り合わせ、加熱溶融して一体化する方法が開示されている。また、その加熱溶融方法として、アーク放電や酸水素炎バーナ等を用いることが例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−３２９４９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２０２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２４０４９４号公報
【特許文献４】特開平１１−２２８２９１号公報
【特許文献５】特開平８−４０７３５号公報
【特許文献６】特開平８−４８５３２号公報
【特許文献７】特開２００５−２３９５３３号公報
【特許文献８】特開２００４−２０８２号公報
【特許文献９】特開平４−２９５０１８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】非晶質シリカ材料応用ハンドブック、リアライズ社、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げの際のシリコン単結晶の有転位化の回避のため、石英ガラスルツボは高純度（すなわち、不純物が少ない）で、かつ気泡が無いものが求められ、さらに、同時にルツボの耐熱性も必要である。
【００１４】
特許文献５及び特許文献６の方法のいずれも合成石英を粉砕しているため、アーク溶融法よりはルツボ内の気泡が少ないといえども皆無ではない。そのため、昨今のシリコン単結晶の大型化により石英ガラスルツボへの熱負荷も大きくなっている現状では、シリコン単結晶製造中にルツボ内の気泡が膨張してしまう。これが原因となってシリコン単結晶が有転位化する場合が多いという問題があった。
【００１５】
また、特許文献８の方法で用いている石英材料は、合成石英の粉を溶融し、精製した石英ガラス片である。従って、石英ガラス片中に少なからず気泡が存在している。そのため、特許文献８に開示された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶を製造しても、シリコン単結晶の有転位化を十分抑制できないという問題がある。また、加熱溶融方法にしても、ガラス片を石英ガラスルツボに酸水素炎バーナで溶着することは、うまく熱を伝えることができず、現実的には非常に難しい。また、ルツボが大型化すると、酸水素炎バーナやアーク放電では局所的な加熱による大きな温度勾配によりルツボや板材が割れる可能性が高く、現実に溶着するのは非常に困難である。
【００１６】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、シリコン単結晶の製造の際のルツボ自体に起因するシリコン単結晶の有転位化を回避し、かつ、高い耐熱性を有する石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材を準備する工程と、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記ルツボ基材の内面に溶着する工程とを含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法を提供する。
【００１８】
このような方法であれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなくルツボ形状に加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いままルツボ形状を有する合成石英ガラス材とすることができる。また、この合成石英ガラス材を石英ガラスからなるルツボ基材の内面に溶着するので、石英ガラスルツボのうち、この合成石英ガラス材からなる部分を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面とすることができ、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００１９】
また、ルツボを構成する材料としてこのような合成石英ガラス材を用いても、ルツボ基材に溶着するので耐熱性をルツボ基材に担わせることができ、合成石英ガラス材自体の熱変形等の問題は生じず、石英ガラスルツボの耐熱性を確保することができる。
【００２０】
この場合、前記溶着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、該合成石英ガラス材の内部に多結晶シリコンを充填し、該多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により同時に行うことができる。
【００２１】
また、本発明は、このような石英ガラスルツボの製造方法によって、前記多結晶シリコンの溶融と同時に前記石英ガラスルツボを製造し、引き続き、前記多結晶シリコンの溶融によって生じたシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００２２】
このように、合成石英ガラス材とルツボ基材との溶着を、シリコン単結晶引上機内で多結晶シリコンを溶融する際の加熱により同時に行うこととし、また、その後引き続き、シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げることとすれば、全体として工程を減らすことができる上に、ルツボを一旦冷却する必要が無い。そのため、シリコン単結晶を製造するために必要な総エネルギーや製造時間を削減することができる。
【００２３】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記溶着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、電気炉を用いて、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱して行うこともできる。
【００２４】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記溶着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、シリコン単結晶引上機内において、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱して行うこともできる。
【００２５】
このように、合成石英ガラス材とルツボ基材との溶着は、電気炉又は引上機内での加熱によって行うこともできる。そして、全体を一度に溶着できるので、局所的な温度勾配が生じることもなく、割れが発生することもない。
【００２６】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を水酸基含有量が１００〜８００ｐｐｍのものとして作製することが好ましい。
【００２７】
合成石英ガラス材の水酸基（ＯＨ基）濃度をこのようなものとすれば、シリコン単結晶の有転位化の抑制をより効果的に行うことができる。
【００２８】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。
【００２９】
このように、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製すれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、ルツボ形状に加工し、ルツボ基材の内部へ配置した後又はその後溶着する前に、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損を防止することができる。
【００３０】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することができる。
【００３１】
このように、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工は、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状としてもよいし、複数の合成石英ガラス材を溶接等によって組み合わせてルツボ形状としてもよい。
【００３２】
また、本発明は、上記のいずれかの石英ガラスルツボの製造方法によって製造されたことを特徴とする石英ガラスルツボを提供する。
【００３３】
このように、本発明の石英ガラスルツボの製造方法によって製造された石英ガラスルツボであれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材をルツボ基材の内面に溶着した石英ガラスルツボであるので、この合成石英ガラス材からなる部分を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面とすることができ、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。また、ルツボ基材を有することから、石英ガラスルツボの耐熱性を確保することができる。
【００３４】
また、本発明は、少なくとも、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材と、前記ルツボ基材の内面に溶着されたルツボ形状の合成石英ガラス材とを具備し、前記合成石英ガラス材は、直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものであることを特徴とする石英ガラスルツボを提供する。
【００３５】
このような石英ガラスルツボであれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材、すなわち、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材をルツボ基材の内面に溶着した石英ガラスルツボであるので、シリコン単結晶を製造する際に、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。また、石英ガラスルツボの耐熱性を確保することができる。
【００３６】
この場合、前記合成石英ガラス材は、水酸基含有量が１００〜８００ｐｐｍであることが好ましい。
【００３７】
合成石英ガラス材の水酸基濃度をこのようなものとすれば、シリコン単結晶の有転位化の抑制をより効果的に行うことができる。
【００３８】
また、前記合成石英ガラス材は、厚さが１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３９】
このように、合成石英ガラス材の厚さを１ｍｍ以上とすれば、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損を防止することができる。
【００４０】
また、本発明は、上記のいずれかの石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００４１】
このように、本発明の石英ガラスルツボを用いたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避してシリコン単結晶を製造することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法であれば、直接法又はスート法により作製され、粉砕もされていないことから、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面として石英ガラスルツボを製造することができる。このような石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の製造を行えば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の石英ガラスルツボの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４５】
図１に本発明の石英ガラスルツボの概略断面図を示した。
本発明の石英ガラスルツボ１０は、少なくとも、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材２０と、ルツボ基材２０の内面に溶着されたルツボ形状の合成石英ガラス材３０とを具備する。この合成石英ガラス材３０は、直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものである。
【００４６】
合成石英ガラス材３０は、後述するように、直接法又はスート法により作製した合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工して形成したものをルツボ基材２０に溶着したものである。
ルツボを構成する材料として熱変形しやすい合成石英ガラス材３０を用いても、ルツボ基材２０に溶着するので、耐熱性をルツボ基材２０に担わせることができ、石英ガラスルツボ１０の耐熱性を確保することができる。
【００４７】
このような石英ガラスルツボ１０は、以下のようにして製造することができる。
【００４８】
まず、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材２０を準備する（工程ａ）。
ここで準備するルツボ基材２０は、通常の石英ガラスルツボでよい。ただし、本発明によって製造する石英ガラスルツボとの区別のため、本発明の説明においては「ルツボ基材」と呼ぶ。本発明のルツボ基材は、現在工業的に使用されている石英ガラスルツボを用いれば良く、その製法も特に限定されず、例えば、現在工業的に実施されているアーク溶融法で良い。アーク溶融法とは、例えば特許文献７に開示されているような、回転している型内に原料粉を供給しルツボ状の原料粉体層を形成し、その内側からアーク放電加熱し溶融して石英ガラスルツボを製造する方法である。その他、ゾルゲル法や、スリップキャスト法等によりルツボ基材を製造することができる。この場合、ルツボ基材の内面は、必ずしも高純度層や無気泡層となっている必要はない。
【００４９】
一方、ルツボ基材２０の内面に溶着するための、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０を以下のようにして準備する。
【００５０】
まず、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する（工程ｂ）。直接法又はスート法によれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を作製することができる。
【００５１】
ここで、直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である（非特許文献１参照）。
【００５２】
また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である（非特許文献１参照）。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していくことにより、合成石英ガラス材を得ることができる。
【００５３】
このとき、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。合成石英ガラス材の厚さが１ｍｍ以上であれば、後述のように、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、後述のように、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損も防止することができる。一方、合成石英ガラス材の厚さは１０ｍｍ以下であることが望ましい。このような厚さであれば、Ｒ加工などの工数が増えすぎることがない。また、板状の合成石英ガラス材はフォトマスク用などとして市販もされており、容易に入手可能である。
【００５４】
次に、合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する（工程ｃ）。これにより、図１に示したようなルツボ形状を有する、合成石英ガラス材３０とすることができる。
【００５５】
この工程では、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなく加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いまま、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０とすることができる。また、工程数も減少することから、安価に準備することができる。
【００５６】
なお、本発明の石英ガラスルツボの製造では行わない、「合成石英ガラス材の粉砕」とは、合成石英ガラス材から粉末（例えば、平均粒径１ｍｍ以下の粉末）への加工を意味し、すなわち、直接法またはスート法により製造した合成石英ガラス材から塊状、板状等の形状に切り出し、加工すること等は含まない。本発明の石英ガラスルツボの製造においては、このような切り出し、加工等を行うことができる。
【００５７】
この工程ｃでは、合成石英ガラス材がルツボ形状となるように加工すればよく、その具体的な方法は特に限定されない。また、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよいし、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよい。
【００５８】
一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するには、例えば、カーボン製や合成石英製の治具に熱をかけながら押し付け、一気にルツボ形状へと加工することができる。このような場合、合成石英ガラス材を板状としておけば加工が容易となり、好ましい。
【００５９】
複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成する場合には、各々の合成石英ガラス材をルツボ形状へと加工しやすい合成石英ガラス片とすることができる。このような合成石英ガラス片の個々の形状は特に限定されない。
複数の合成石英ガラス材は、Ｒ加工等や酸水素炎バーナー等を用いた溶接により、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するようにすることができる。このような加工及び溶接等は、後述のルツボ基材に溶着する工程（工程ｄ）よりも前に行えばよい。また、複数の合成石英ガラス材が、全体としてルツボ形状を構成し、そのルツボ形状のままルツボ基材に溶着されればよく、必ずしも複数の合成石英ガラス片を予め溶接等により一体化する必要はない。
【００６０】
以上のような工程ｂ及び工程ｃを経て、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０が準備される。
【００６１】
なお、ルツボ基材の準備（工程ａ）と、合成石英ガラス材の作製及びルツボ形状への加工（工程ｂ及び工程ｃ）とは独立に行うことができ、どちらを先に行ってもよいし、並行して行うこともできる。
【００６２】
次に、ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を、ルツボ基材２０の内面に溶着し（工程ｄ）、石英ガラスルツボ１０を製造する。
この溶着は確実に行う必要がある。具体的には、例えば、以下の３つの方法がある。
【００６３】
（第１の溶着方法）
第１の溶着方法では、まず、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置（セット）する。このときのルツボ形状の合成石英ガラス材３０としては、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状に加工したもの、複数の合成石英ガラス材を溶接してルツボ形状としたもののいずれでもよい。この場合、合成石英ガラス材は、予め一体化したものを用いるようにする。次に、合成石英ガラス材３０の内部に多結晶シリコンを充填する。次に、多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により、ルツボ基材２０とルツボ形状の合成石英ガラス材３０との溶着を多結晶シリコンの溶融と同時に行う。パワー（加熱のための投入電力）や加熱時間は任意であり、通常の多結晶シリコンの溶融と同様に、引上機、ルツボのサイズ等に依存して決定することができる。
【００６４】
この方法によれば、多結晶シリコンの溶融と同時に石英ガラスルツボ１０が製造される。この場合、多結晶シリコンの溶融及び石英ガラスルツボの製造の後、引き続き引上機内において、多結晶シリコンの溶融によって生じたシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することができる。
【００６５】
このようにすれば、石英ガラスルツボ１０を製造した後シリコン単結晶を製造するまでの間に一旦冷却する必要が無い。そのため、シリコン単結晶を製造するために必要な総エネルギーを削減することができる。また、工程数の増加も最小限とすることができ、コストの上昇を抑えられるほか、内側のシリコン融液の存在により合成石英ガラス材のルツボ基材への溶着が均一に行われる利点もある。
【００６６】
（第２の溶着方法）
第２の溶着方法では、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置し、電気炉を用いて、ルツボ基材２０及び合成石英ガラス材３０を加熱して溶着を行う。
【００６７】
（第３の溶着方法）
第３の溶着方法では、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置し、シリコン単結晶引上機内において、ルツボ基材２０及び合成石英ガラス材３０を加熱して溶着を行う。
【００６８】
第２又は第３の溶着方法の場合は、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０として、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状に加工したもの、又は、複数の合成石英ガラス材からＲ加工等した後、溶接してルツボ形状としたものを、ルツボ基材２０の内部に配置することができる。また、複数の合成石英ガラス材からＲ加工した後、予め溶接等により一体化することなく、複数のガラス片の状態のまま、全体としてルツボ形状を構成するようにルツボ基材２０の内部に配置してもよい。この場合、これらは溶着工程で同時に一体化とルツボ基材への溶着が行われる。
【００６９】
さらに、第２又は第３の溶着方法の場合は、例えばカーボン製や合成石英製などの治具を、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０の内側にセットし、ルツボ基材２０と挟み込む形で圧着させても良い。特に、ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０が複数のガラス片からなる場合（溶接により一体化していない状態）は、上部に位置するガラス片が一体化する前にずり落ちてこないように、ルツボ基材２０を回転させたり、もしくはルツボ基材２０の胴体部を垂直ではなく上開きのテーパーをつけたりすることが好ましい。
また、パワー（加熱のための投入電力）や加熱時間は任意であり、必要に応じて決定することができる。
【００７０】
なお、第１〜３の溶着方法のいずれの方法であっても、上部に位置するガラス片がルツボ基材２０に溶着する前に倒れてこないようにルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０をルツボ上端部で溶接しておくことが好ましく、さらに、ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間に雰囲気ガスが閉じ込められないよう、気抜きを設けることが好ましい。
【００７１】
このルツボ基材２０とルツボ形状の合成石英ガラス材３０との溶着は、上記のように全体を一度に同時に行うことで確実に行うことが必要である。
この溶着を、酸水素炎バーナーを用いて一部ずつ行おうとすると、全体にうまく熱を伝えることができず、現実的には非常に難しい。また、特にルツボが大型である場合（例えば、口径２４インチ（６０ｃｍ）以上）、酸水素炎バーナーやアーク放電では局所的な加熱による大きな温度勾配によりルツボや板材が割れる可能性が高く、現実に溶着するのは非常に困難である。従って、これらの方法は望ましくない。
【００７２】
以上のような工程ａ〜ｄを経て、図１に示した石英ガラスルツボ１０を製造することができる。
【００７３】
このような本発明に係る石英ガラスルツボ１０を用いてチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造すれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避してシリコン単結晶を製造することができる。
【００７４】
本発明の石英ガラスルツボ１０を用いること以外は、通常通りのチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造することができる。すなわち、本発明の石英ガラスルツボ１０の内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造する。また、磁場をかけながらシリコン単結晶の育成を行うなど、チョクラルスキー法に関する公知の手法を適宜行うことができる。
【００７５】
ただし、上記の「第１の溶着方法」の場合には、前述のように、多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により、ルツボ基材２０とルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０との溶着を多結晶シリコンの溶融と同時に行う。この方法の場合も、その後のシリコン融液からのシリコン単結晶の引き上げは通常のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造の場合と同様に行うことができる。
【００７６】
なお、石英ガラスルツボ１０を構成する、溶着後の合成石英ガラス材３０は厚さ１ｍｍ以上とすることが好ましい。このようにするためには、例えば、合成石英ガラス材の作製（工程ｂ）において合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製し、これをルツボ形状に加工してルツボ基材２０に溶着することなどにより行うことができる。
【００７７】
合成石英ガラス材３０が厚さ１ｍｍ以上であれば、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損を防止することができる。また、シリコン単結晶の製造中に、合成石英ガラス材３０の溶解による、シリコン融液とルツボ基材２０の接触を防止することができる。これにより、シリコン融液を、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い表面と常に接触させることができ、より効果的にシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００７８】
また、合成石英ガラス材の作製（工程ｂ）において、合成石英ガラス材を水酸基含有量が１００〜８００ｐｐｍのものとして作製することが好ましい。
この合成石英ガラス材の水酸基含有量の規定は、本発明者らが、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造中の石英ガラスルツボの結晶化について、以下の知見を見出したことに基づく。
【００７９】
水酸基含有量が高いと合成石英ガラス（アモルファス）の結晶化（すなわち、クリストバライト化）が促進される。前述のように、アルカリ金属などの不純物によってもアモルファスは結晶化するが、不純物起因の結晶化は、失透と呼ばれる程に結晶化度の高い結晶化である。一方、水酸基起因の結晶化は結晶化度の低い結晶化であることを、本発明者らは見出した。
【００８０】
シリコン単結晶の製造開始から終了までの間で全くクリストバライト化が起きなければ、クリストバライトの剥離を起因としたシリコン単結晶の有転位化は発生しないが、現実には多少なりとも石英ガラスルツボ表面はクリストバライト化してしまう。この結晶化は、前述のように、特許文献３や特許文献４によると、「結晶化の初期段階では結晶生成核を基点として点状に発生し、単結晶引上げの進行にともなって、結晶化はリング状に広がる」、「このような結晶化の進展現象により結晶化斑点が生成される。この結晶化斑点の外周部は茶色を呈しているので、茶褐色斑点と呼ばれることもある。」、「結晶化斑点は、単結晶引上げ時間、すなわち、シリコン融液と石英ルツボの内表面とが直接接触する時間の経過とともに増加するが、所定の時間が経過すると結晶化斑点は一定の密度に収束して推移する」と記載されている。また、「かかる結晶化斑点はいったん生成した後、シリコン融液により溶解し始め、次第に結晶化斑点の大きさが小さくなる」とも記載されている。即ち、石英ガラスルツボ表面では結晶化とその結晶化部分の溶解が起きている。
【００８１】
そこで、本発明者らは、不純物起因の結晶化度の高い結晶化では、剥離するクリストバライトのサイズが大きく、シリコン融液中に溶解し終える前にシリコン単結晶の固液界面に到達してしまい、シリコン単結晶の有転位化を誘起すること、一方、水酸基起因のように結晶化度の低い結晶化では、剥離するクリストバライトのサイズが小さく、シリコン単結晶の固液界面に到達する前にシリコン融液中に溶解し、シリコン単結晶の有転位化を誘起しないことを見出した。
【００８２】
水酸基含有量が１００ｐｐｍ以上であれば、石英ガラスルツボ内表面の結晶化速度が遅すぎず、シリコン単結晶製造中の茶褐色斑点の増加が抑制され、クリストバライトの剥離によるシリコン単結晶の有転位化を抑制することができる。一方、水酸基含有量が８００ｐｐｍ以下であれば、ルツボ表面の結晶化が促進され過ぎることもなく、剥離するクリストバライトのサイズが小さく、シリコン単結晶が有転位化することを抑制することができる。石英ガラスルツボ１０を構成する合成石英ガラス材３０は、高純度であるため、アルカリ金属などの不純物に基づく結晶化はそれほど考慮する必要はなく、水酸基含有量が１００〜８００ｐｐｍであるものを用いた場合は、原料の多結晶シリコンの溶融中に石英ガラスルツボ内表面の結晶化が適度に促進され、シリコン単結晶の製造を開始する頃にはルツボ表面の溶解も相まって、剥離するクリストバライトのサイズが小さくなり、シリコン単結晶の有転位化がより効果的に回避される。合成石英ガラス材３０の水酸基含有量は３００〜７００ｐｐｍであることがさらに好ましく、５００〜７００ｐｐｍであることが最も好ましい。
【００８３】
合成石英ガラス材の水酸基含有量の調整方法は特に限定されないが、例えば、特許文献９に開示されているように、火炎バーナーを多重管バーナーとし、その中心ノズルから供給される原料シラン化合物と支燃性ガスとしての酸素ガスとの混合ガスの組成比を変えることや、支燃性ガスに不活性ガスを混合することにより、合成石英ガラスを作製するときの成長溶融面の表面温度を制御することで可能である。
【実施例】
【００８４】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
【００８５】
（実施例１）
スート法により、水酸基含有量が５０ｐｐｍの合成石英ガラス材の板材を作製した。この合成石英ガラス材を、アーク溶融法で製造した口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ガラスからなるルツボ基材（水酸基含有量は１５０ｐｐｍ）の内面形状に合わせて、切り出し、Ｒ加工し、溶接し、ルツボ形状とした。ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０をルツボ基材２０内に配置し（図１参照）、その中に多結晶シリコンを４００ｋｇ充填した。
【００８６】
ルツボ基材及びその内部に配置された合成石英ガラス材を引上機にセットし、原料の多結晶シリコンを溶融した。この多結晶シリコンの溶融と同時にルツボ基材と合成石英ガラス材を溶着し、石英ガラスルツボ１０とした。その後、４０００ガウス（０．４テスラ）の水平磁場を印加して直径３００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。
【００８７】
以上の工程を、１０回繰り返した。
【００８８】
（実施例２）
合成石英ガラス材の板材として、スート法により、水酸基含有量が１００ｐｐｍであるものを作製したこと以外は実施例１と同様に石英ガラスルツボを作製し、シリコン単結晶の引き上げを行った。
【００８９】
（実施例３）
合成石英ガラス材の板材として、スート法により、水酸基含有量が２００ｐｐｍであるものを作製したこと以外は実施例１と同様に石英ガラスルツボを作製し、シリコン単結晶の引き上げを行った。
【００９０】
（実施例４）
合成石英ガラス材の板材として、直接法により、水酸基含有量が６００ｐｐｍであるものを作製したこと以外は実施例１と同様に石英ガラスルツボを作製し、シリコン単結晶の引き上げを行った。
【００９１】
（実施例５）
合成石英ガラス材の板材として、直接法により、水酸基含有量が８００ｐｐｍであるものを作製したこと以外は実施例１と同様に石英ガラスルツボを作製し、シリコン単結晶の引き上げを行った。
【００９２】
（実施例６）
合成石英ガラス材の板材として、直接法により、水酸基含有量が１２００ｐｐｍであるものを作製したこと以外は実施例１と同様に石英ガラスルツボを作製し、シリコン単結晶の引き上げを行った。
【００９３】
（比較例）
アーク溶融法で製造した口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ガラスルツボ（水酸基含有量は１５０ｐｐｍ）に多結晶シリコン４００ｋｇを充填した。
この石英ガラスルツボを引上機にセットし、原料の多結晶シリコンを溶融した。その後、４０００ガウス（０．４テスラ）の水平磁場を印加して直径３００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。
以上の工程を、１０回繰り返した。
【００９４】
実施例１〜６及び比較例で引き上げたシリコン単結晶の有転位化回数を表１に示す。ここで言う有転位化回数とは、各単結晶の１回目の引き上げにおける有転位化の回数（すなわち、０か１）を合計したものであり、有転位化した場合に再溶融した後の再度の有転位化は対象としない。なぜならば、再溶融によりルツボの表面状態（気泡、結晶化度）が変わってしまうからである。
【００９５】
【表１】
0005685894.tif 000002
【００９６】
表１からわかるように、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法に従い、気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材をルツボ内面部の構成材料とすれば、シリコン単結晶の有転位化を抑制できることがわかった。特に、水酸基含有量が６００ｐｐｍの場合（実施例４）には、１回も有転位化することなく、シリコン単結晶を育成できた。
【００９７】
なお、上記の各実施例及び比較例において、有転位化した場合には、その後に再溶融を行い、再びシリコン単結晶を育成しており、最終的には無転位のシリコン単結晶が得られている。しかし製造時間を短縮して生産性を向上するためには有転位化を回避することが求められるため、本発明は生産性向上に極めて有効である。しかも、シリコン融液に接しているのは、高純度の合成石英ガラスであるので、得られるシリコン単結晶の高純度化も図れる。
【００９８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００９９】
１０…本発明の石英ガラスルツボ、  ２０…ルツボ基材、
３０…ルツボ形状の合成石英ガラス材。
【図１】
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